三维微纳结构、检测装置和检测方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及微纳加工及微纳结构，更具体地，涉及一种三维微纳结构、检测装置和检测方法。
【背景技术】
[0002]当光线入射到由贵金属等构成的(纳米)颗粒或结构上时，如果入射光子频率与颗粒或结构传导电子的整体振动频率相匹配，那么颗粒或结构会对光子能量产生很强的吸收作用，于是发生局域表面等离子共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)现象。
[0003]金、银、钼等贵金属颗粒或结构可以在紫外可见光波段展现出很强的光谱吸收，从而可以获得LSPR光谱。该吸收光谱峰值处的吸收波长及强度取决于材料的微观结构特性，例如组成、形状、结构、尺寸等。同时，LSPR吸收谱还对颗粒或结构周围的介质极其敏感，因此可以作为基于光学信号的传感器如化学传感器和生物传感器。
[0004]具体地，可以将金、银等颗粒或结构悬浮于液体介质，或固定在一个固体表面上。当有生物分子等吸附在颗粒或结构表面时，该颗粒或结构的LSPR吸收峰的波长和/或强度就会发生改变。通过测量经过颗粒或结构的反射或者透射光谱，检测LSPR吸收峰的变化情况，从而可以检测被吸附的分子。基于LSPR的生物、化学传感器可以做到无需标记，实时、高灵敏度的检测，可以广泛用于药物研究、生物检测等方面。
[0005]另外，光的散射可以看作是光子与物质碰撞后运动方向的改变。如果发生的是非弹性碰撞，即光子不仅发生了运动方向的改变，而且在碰撞过程中有能量交换，这种散射即为拉曼散射(Raman Scattering)。例如，对光滑银电极表面进行粗糙化处理后，可获得吸附在银电极表面上单分子层吡啶分子的高质量的拉曼光谱。吸附在粗糙银表面上的每个吡啶分子的拉曼散射信号与溶液相中的吡啶的拉曼散射信号相比，可以增强约6个数量级(即一百万倍)。这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应，被称为表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)效应。
[0006]—种SERS的电磁增强机理认为，金属表面的粗糙化有利于电磁波在金属表面激发LSPR，使得金属表面的电场强度大大提高。这样，靠近金属表面的分子受到大大增强了的电场激发而产生了强拉曼散射。电磁增强机理是一种长程作用，它可以影响到距离金属表面约几百埃(10 米)的范围，这种作用的增强因子为约104-106，与吸附分子关系不大。
[0007]SERS活性的表面往往能产生被增强的局域电场，是金属表面等离子共振振荡引起的，这被称为物理增强。SERS技术克服了传统拉曼光谱与生俱来的信号微弱的缺点，可以使得拉曼强度增大几个数量级。其增强因子可以高达1014-1015倍，以致探测到单个分子的拉曼信号。SERS可以用于痕量材料分析、流式细胞术以及其它一些应用。
[0008]拉曼增强需要具有微纳尺度(例如，纳米尺度)的粗糙金属表面作为基底，吸附在这种表面上的分子将会产生SERS效应。
[0009]常规技术中，为实现LSPR或SERS，一般是在二维平面衬底上，通过纳米加工技术，加工一层金属纳米结构或沉积一层纳米胶体颗粒。由于单层的纳米结构或纳米胶体颗粒产生的LSPR或SERS信号较弱，导致检测的灵敏度不高。
【发明内容】
[0010]本公开的目的至少部分地在于提供一种三维微纳结构、检测装置和检测方法，以例如增强LSPR和/或SERS的灵敏度。
[0011]根据本公开的一个方面，提供了一种三维结构，包括:衬底；在衬底上形成的单元结构的阵列；以及设于阵列中至少一部分单元结构的表面上的微纳结构和/或颗粒。
[0012]根据本公开的另一方面，提供了一种检测装置，包括上述三维结构。
[0013]根据本公开的再一方面，提供了一种对样品进行检测的方法，包括:使样品流经表面被结构化从而具有增强表面积的装置，所述结构化的表面上设有微纳结构和/或颗粒；针对所述装置探测局域表面等离子共振(LSPR)光谱和/或表面增强拉曼散射(SERS)光
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[0014]根据本公开的实施例，由于单元结构阵列或结构化表面的存在，可以增加微纳结构和/或颗粒，从而可以增强LSPR和/或SERS的灵敏度。
【附图说明】
[0015]通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中:
[0016]图1是示意性示出了根据本公开实施例的三维结构的配置的透视图；
[0017]图2中(a)和2(b)示出了示例阵列的显微照片；以及
[0018]图3是示意性示出了根据本公开实施例的检测装置的结构的俯视图。
【具体实施方式】
[0019]以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
[0020]在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0021]在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
[0022]根据本公开的实施例，提供了一种三维结构。该三维结构可以包括在结构化的表面上设置的微纳结构和/或颗粒。例如，这种微纳结构和/或颗粒可以实现局域表面等离子共振(LSPR)和表面增强拉曼散射(SERS)中至少之一，并可以吸附某些物质(如，分子)，从而可以据LSPR和/或SERS光谱来检测所吸附的物质。相比于平坦表面，这种结构化表面可以提供增大的表面积，且因此可以增大物质被吸附的概率，从而可以增强LSPR和/或SERS。
[0023]这种结构化的表面可以通过衬底上形成的单元(微)结构的阵列来提供。相对于衬底上相同面积但并未设置结构阵列的区域，设置这种结构阵列导致增大的表面积(由于单元结构的表面例如顶面和侧面的面积)。这样的单元结构例如可以包括(微)柱体等。
[0024]微纳结构和/或颗粒可以由金属材料，例如贵金属如金、银等制造。微纳结构和/或颗粒可以均匀分布在单元结构的表面上。
[0025]这里需要指出的是，在本说明书中，所谓“微”(例如，微流体通道、微结构、微柱体等)是指能够通过微加工(Microfabricat1n或microprocessing)工艺获得的尺度，例如微米、亚微米，乃至更小尺寸如纳米。类似地，所谓“微纳”，是指微米、亚微米或纳米的尺度。
[0026]根据本公开的实施例，该三维微纳结构还可以包括设于衬底上的通道，如微流体通道(Microfluidic Channel)。例如，通道可以包括通过在衬底上开槽而形成的嵌入于衬底中的通道。流体可以沿该通道流动。例如，通道的尺寸可以设计为实现毛细现象，从而流体可以通过毛细现象而无需其他外力沿通道流动。
[0027]毛细(capillary)现象，又称毛细管作用，是指液体在细管状物体内侧，由于内聚力和附着力的差异，克服自身重力而上升的现象。当液体和固体(管壁)之间的附着力大于液体本身内聚力时，就会产生毛细现象。液体在垂直的细管中时液面呈凹或凸状，以及多孔材质物体能吸收液体皆为毛细现象所造成的影响。
[0028]单元结构的阵列可以设于通道中。这样，该阵列可以增强通道中的毛细现象。阵列中的单元结构可以高度有序设置，例如按行和列规则排列。
[0029]根据本公开的实施例，还提供了一种检测装置，该检测装置可以包括上述三维微纳结构。
[0030]根据本公开的实施例，还提供了一种对样品进行检测的方法。该方法可以包括使样品流经表面被结构化从而具有增强表面积且在结构化的表面上可以设有微纳结构和/或颗粒的装置，以及针对该装置探测LSPR光谱和SERS光谱中至少之一。
[0031]本公开的技术可以多种形式来呈现，以下将描述其中一些示例。
[0032]图1是示